关于《电化学实验》课程教学的思考与改革探索
时间：2023-02-17 08:05:07 来源：千叶帆 本文已影响人
＊赵璐 安琪 佟望舒
（中国地质大学（北京）材料科学与工程学院 非金属矿物与固废资源材料化利用北京市重点实验室 北京 100083）
电化学是物理化学中一门研究化学能和电能之间的相互转化以及相关规则的基础性科学。其中，《电化学实验》是为化学专业的高年级本科生开设的一门十分重要的专业基础课程，具有较高的理论性和实践性。课程目的是基于电化学的基础知识，在实验中学习如何通过电化学的方法获得材料的不同性质和应用[1]。电化学实验教学作为电化学原理教学的重要组成部分，是帮助学生们更好理解电化学知识的重要手段，是《电化学原理》课程教学质量的关键。此外，将所学理论知识与实际应用相结合，在实验过程中观察现象、发现问题，有利于学生更好的掌握所学的知识点，也可为将来的实际应用积累经验。随着科学技术的发展,人们对科学技术的了解、需求不断增强，努力培养学生动手实践能力,是培养学生创造性思维的重要途径[2-3]。近年来我国高校对于化学专业学生培养力度加大，对于电化学方向的研究也越来越重视，如何以在校学生的自身特点和专业特点为导向，针对性的设计《电化学实验》课程教学，是学校相关教师面临的十分迫切问题[4-5]。实验教学效果的好坏直接影响着学生对于高阶课程的学习、科学研究能力以及实际工作能力。目前，已经有很多从事电化学课程教学的相关教师从人才培养和专业发展的角度，提出了很多该课程的实验教学改进意见，也积累了很多切实可行的教学经验[6-7]。但是，在电化学实验教学过程中依旧存在许多的制约因素。本文对《电化学实验》课程实验教学中存在的问题进行了分析，并在教学模式等方面提出了一些相应的改革探索和措施。
开展《电化学实验》课程教学需要配备一系列电化学仪器设备，如电化学工作站，电解池（电解槽），参比电极，对电极，盐桥，旋转圆盘电极和旋转环盘电极等。电化学实验课是验证和巩固课堂理论教学的必要环节，可以有效的提高学生实验设计、实验创新、数据分析和解决实际问题的能力。电化学测试就是通过在电化学工作站中选择不同的测试模块，设定不同的实验参数进行测试，以得到材料的电化学活性，进而获得材料的应用价值。如果没有先进的电化学仪器，《电化学实验》课程教学就会枯燥乏味，纸上谈兵，停留在书本表面，很难深入的去理解知识点，从而严重阻碍《电化学实验》课程的教学和发展。特别是对于一般的高校而言，由于科研经费有限，导致电化学实验设备数量和质量不足，在实验教学时需要多名同学分组进行实验操作才能完成教学任务。一般来说，每个小组包括较多名学生进行电化学实验，老师监管难度较大，对于每一位学生的具体实验操作过程不能够实时观察。其次，许多仪器设备老旧不堪，操作复杂，很难满足现代的教学任务。这些问题都是需要在今后的教学改革中解决的。
教师的“教”与学生的“学”对于电化学实验课程的教学效果起到至关重要的作用。对于大多数教师而言，在实验教学过程中基本都是采用课堂讲授具体的实验内容，准备好实验所需要的仪器设备和实验药品，学生按照实验步骤按部就班的进行实验的模式。老师在这个过程中起到监督的作用，并不能了解所有学生对实验的掌握情况，加之上课人数多，实验仪器少，大部分学生能动手参与的时间有限，实验效果不理想。这样的教学方式使得学生们很少去考虑为什么要这样做，缺乏对实验现象的思考，只是机械式的完成实验，最后得到结果完成实验报告。这种机械式的教学根本无法发挥学生独立思考的能力和对问题的分析判断能力，更不利于激发学生的创造力。因此，对于教师教学方式的改革也是势在必行。电化学课程本身理论性较强，需要掌握的知识点较多，学习起来比较枯燥乏味。许多时候学生在学习这门课程时，很难注意力集中，加之传统的教学方式缺乏新意，学生很容易分心难以提高学习兴趣，导致学习效果十分不理想。此外，电化学实验项目中很多实验需要相关的测试技术，需要学习电池、电镀、电解、腐蚀与防护等测试技术。还包括与电池、电镀和化学镀实际生产密切相关的工程实验。这些技术和实验都需要在课程学习前进行预习，许多实验还涉及计算与换算，会用到大量的数学和物理公式，这就需要全面掌握实验目的、实验原理、实验设备、实验步骤和数据处理方法等内容。否则在实验过程中就会出现实验操作步骤错误，实验现象观察不到或记录不准确，数据处理不当等问题，严重的影响了课程的学习。然而在实际的课程中，很多学生没有提前预习的习惯，或者预习不认真，对实验部分认识不到位，存在应付心理。因此，激发学生的学习兴趣也是电化学实验教学改革的一方面。
另外，目前对于电化学实验教学考核还是以实验报告为评定原则，学生完成实验后得到实验数据，整理实验报告上交，老师根据实验报告的结果进行评定。但是，这种评定方式存在一定的弊端，实验报告的实验结果具有主观性，数据记录不完整或随意性较强，甚至有抄袭现象。仅仅依靠实验报告进行评定学生的学习成绩和对实验课程的掌握是不充分的、不全面的、也是不可靠的。此外，这样评价方式的公平性也存在一定的问题，对于完成预习、规范做实验的同学和不认真参与实验的同学所得到的最终评判结果区分度不大，导致学生认为学与不学都是一个样，失去积极性。因此，这样的评价方式很难保证一个较好的实验教学效果，对于学科的建设也是不利的。
基于上述的分析，电化学实验教学重在帮助学生理解电化学理论知识，培养学生的动手能力、观察能力、分析处理数据的能力，提高学生的工程意识。为了使学生能够更好地掌握这门课程，针对上述课程教学中存在的问题，改革原有的教学模式，提出新的教学理念和创新方式势在必行。需要从人才培养的角度出发，以学生为本，因材施教，开创性的优化教学环节，认真落实教学改革措施，加大对实验教学设备的投入，满足每一位学生的实际学习需求。正确引导学生，激发学生学习兴趣，注重学生发散性思维和创新意识的培养。
(1)探索以学生为主体的教学模式
多数高校采用传统的实验教学模式，以老师为主导，实验开始前，老师讲解实验的具体实验内容，包括：实验目的、实验原理、实验步骤等。准备好实验所需的实验材料和仪器，学生按照老师的讲解进行实验操作从而达到实验目的。这样的教学模式，学生处于被动接受的状态，完全是机械式的操作，学习兴趣不高，学习效果不佳。整个过程当中，大多数的学生基本没有进行思考该实验为什么要这么做，或者是对实验中出现的现象进行思考。这样的教学模式不利于学生的思考，难以发挥学生的主动性和创造性，也不能满足社会对于创新型人才的需求。为了改变这种教学状态，根据现有的实际教学条件，我们提出了以学生为主体地位的教学模式。相应地，教师从教学的主体地位转变为引导的角色，给予学生更多的机会独立思考和实验操作。在实验课前，将“中国大学MOOC”在线教育平台上电化学实验国家级精品课程的优质视频演示分享给学生，鼓励学生在实验课前进行观看预习，并对实验内容进行分组讨论。在实验课上，随机抽取学生进行实验原理和实验步骤的讲解，最后由老师进行补充以及重点难点的总结。实验进行中，老师指导学生完成实验，对于难度较大的操作，老师要进行详细示范，并严格要求学生每步操作，及时纠正不规范操作。创造轻松且严谨的实验氛围，锻炼学生的动手能力，掌握电化学实验的基本操作技能，培养学生务实求真的学习心态。同时，鼓励学生勤思考和多讨论，大胆提出问题，训练科学思维方式，积极寻求解决问题的办法。在学生预习、讲解、操作和讨论的过程中，可激发学生学习兴趣，加深对实验原理的理解和实际应用，掌握基础电化学实验技能，也很有可能产生新思路和新想法，提升其综合实验能力。其次，为了提高教学内容的创新性和广泛性，适当增加创新性实验设计。老师选定贴近科研前沿的实验，由学生们按3～5人一个小组选择感兴趣的课题实验，查阅相关文献资料，列出可行的实验方案，在课堂上完成实验后，与老师讨论实验结果，撰写实验报告与总结。创新的教学模式能够充分的调动学生的积极性，想象力和创造力，能够更好地达到培养创新型人才的目标计划。
(2)开展电化学实验技能与创新大赛
除了课程模式的改革外，丰富学生学习知识点的形式是新时期创新性教学模式的要求[8]。教学一般都以老师讲授为主，学生聆听为辅，学生学习知识主要集中在课堂，并且形式较为简单，枯燥乏味的讲解很难让每一位学生注意力集中，学习兴趣很难提高。因此，需要一种既可以学习知识又可以提高学生学习兴趣的教学形式。其中，竞赛是一种不错的方式。可以根据实际情况举办电化学实验技能大赛或者是电化学实验创新大赛，通过比赛的形式提高学生对实验课程的参与度和兴趣度，从而更加深刻的理解和学习知识点，并且能够应用到实际中去。以电化学实验创新大赛为例，参赛以小组为单位，3～5人为一个小组，实验时间为两周至一个月。由教师提出适合学生知识和能力水平的实验项目，学生小组调研相关文献资料，自主设计实验方案，并分析其可行性，和老师讨论后确定最优的实验方案。小组成员合理分工，团结合作，选择实验试剂，准备实验，动手完成实验，最终得到实验数据并处理分析，形成完整的实验报告。通过电化学实验项目的系统训练，学生不仅学习了基本的实验操作技能和常见仪器设备的使用，还锻炼了独立分析和解决问题的能力以及团队协作能力。组织学生小组集中汇报，评委老师打分，评选出优秀团队并给予奖励，使学生有成就感和团队荣誉感。有研究价值的实验课题可以申请一定的项目资助，进一步完成实验，并发表相关的科技论文。开展相关的电化学实验比赛是不断拓展新的实验教学模式的重要内容，使得学生对于探索新事物具有一定的积极性和兴趣。知识竞赛的形式不仅可以锻炼学生的自主学习能力和创新能力，拓展了知识学习的范围，提高了学习积极性，还能够让学生了解到电化学知识的实际应用。
(3)建立实验过程与报告相结合的考核评价方式
科学的课程考核评价体系，不仅能够真实客观的反应一个学生的学习成绩，还能够有效的评价学生的学习能力，培养其对待科学研究的基本素养。传统的实验课程评价体系只基于实验报告，评价方式太过单一，只看重结果，忽略了整个实验过程中学生的学习状况和对知识点的把握情况。实验过程中，学生的参与度低，实验操作不认真，敷衍完成实验。并且很大一部分学生所提交的实验报告往往都是照搬照抄，很少有自己的思考，所以大多数的实验报告都是千篇一律，没有任何的特点和独立的想法，这就导致老师对于学生的总体评价结果没有任何区别。甚至篡改实验数据现象存在，数据结论不真实，使得这样的评价体系缺乏真实性和公平性，而且不利于教学效果和形成不正学风。因此，对于实验课的考核方式我们需要采用一种更加公平和人性化的评价体系。针对实验课的特点，我们可将整个课程分为考勤、实验预习讲解、实验过程中提问及表现、实验数据结果、实验报告撰写等五个部分，按照不同的比重进行考核（表1，考勤占10%，实验预习讲解占30%，实验过程提问及表现占30%，实验数据结果占20%，实验报告占10%），每个部分的结果加和后得到最终的综合考核结果。另外，可以增加附加分项，对那些特别是具有独创性的实验或是创新的想法，可以给予加分。总之，通过全方位的考核，一方面可以促使学生能够真正地参与到实验过程当中，发散自己的思维，努力思考大胆去进行实验，发挥自己创造力，进而不断提高自己。另一方面，该综合的考核方式也会提升实验教学效果，为教学的改革创新提供很好的思路。
表1 电化学实验考核评价方式
社会在发展，时代在进步，学校肩负着培养祖国建设人才的伟大任务。电化学实验课作为一门实践性很强的课程，对于化学专业相关学生的综合素质培养起着关键性的作用。随着教学改革的不断深入，对于学生创新性能力和实践能力的培养也越来越重视。基于原有电化学实验课程存在的问题，结合现有的实际条件，提出了改变教学模式，优化教学内容，改进教学考核方式三方面的改革措施，提高学生对于电化学实验课的参与度和积极性，培养学生的自主创新能力和学习能力，锻炼学生的动手能力和协作能力，使学生能够更好地适应未来社会发展的需要。
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